汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计1

汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计1 目 录 中文摘要?????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 Absrtact??????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 绪论?????????????????????????????????????????????????????????????????????5 第1章 1.1 课题的概况及提出????????????????????????????????????????????????????????????5 1.2 课题分析????????????????????????????????????????????????????????????????????5 第2章 总体 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 设计?????????????????????????????????????????????????????????????5 2.1 本装置的主要组成部分????????????????????????????????????????????????????????5 2.1.1 机械部分???????????????????????????????????????????????????????????????5 2.1.2 液压部分???????????????????????????????????????????????????????????????5 2.1.3 电气部分???????????????????????????????????????????????????????????????5 2.2 本测试系统的理论方法和依据??????????????????????????????????????????????????5 2.3 机械部分的作用及其设计原则??????????????????????????????????????????????????6 2.4 液压部分的功能??????????????????????????????????????????????????????????????6 2.5 模数转换电路????????????????????????????????????????????????????????????????6 2.6 相关的计算机接口电路????????????????????????????????????????????????????????6 第3章 机械部分的设计???????????????????????????????????????????????????????????6 3.1 传感器的选用及安装??????????????????????????????????????????????????????????6 3.1.1 传感器的选用??????????????????????????????????????????????????????????6 3.1.2 传感器的安装??????????????????????????????????????????????????????????6 3.1.2.1 测杆与外伸轴的刚度估计??????????????????????????????????????????????6 3.1.2.2 传感器的定位与安装??????????????????????????????????????????????????7 3.2 其他运动部件的设计与计算????????????????????????????????????????????????????7 3.2.1 承载工作台外形尺寸与重量估计??????????????????????????????????????????7 3.2.2 测试箱外形尺寸及重量估算??????????????????????????????????????????????7 3.2.3 滚珠丝杠螺母副的设计计算??????????????????????????????????????????????7 3.2.3.1 计算载荷F(N)的计算???????????????????????????????????????????????7 C 3.2.3.2 计算额定动载荷计算值?????????????????????????????????????????????7 C'a 3.2.3.3 根据选择滚珠丝杠副???????????????????????????????????????????????8 C'a 3.2.3.4 稳定性验算???????????????????????????????????????????????????????????8 3.2.3.5 刚度验算?????????????????????????????????????????????????????????????8 3.2.4 滚动导轨的设计?????????????????????????????????????????????????????????9 3.2.4.1 导轨的长度???????????????????????????????????????????????????????????9 3.2.4.2 滚动体尺寸与数目的确定???????????????????????????????????????????????9 3.2.4.3 验算许用负载?????????????????????????????????????????????????????????9 3.2.5 步进电机的选用?????????????????????????????????????????????????????????9 3.2.5.1 滚珠丝杠传动系统传动比i的确定???????????????????????????????????????9 3.2.5.2 减速齿轮的设计???????????????????????????????????????????????????????9 3.2.5.3 步进电机启动力矩的计算???????????????????????????????????????????????9 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 3.2.5.4 步进电机转动惯量计算????????????????????????????????????????????????10 3.2.5.5 选择步进电机的型号??????????????????????????????????????????????????10 3.3 数控系统的精度验算?????????????????????????????????????????????????????????10 第4章 液压部分的设计??????????????????????????????????????????????????????????10 4.1 液压缸的设计???????????????????????????????????????????????????????????????11 4.1.1 夹紧力的计算?????????????????????????????????????????????????????????11 4.1.2 确定液压缸的主要尺寸?????????????????????????????????????????????????11 4.1.3 计算液压缸工作阶段所需的流量?????????????????????????????????????????11 4.1.4 液压缸的安装?????????????????????????????????????????????????????????11 4.2 液压泵的选用???????????????????????????????????????????????????????????????12 4.2.1 泵的工作压力的确定???????????????????????????????????????????????????12 4.2.2 泵的流量确定?????????????????????????????????????????????????????????12 4.2.3 选择液压泵的规格?????????????????????????????????????????????????????12 4.3 与液压泵匹配电动机的选定???????????????????????????????????????????????????12 第5章 检测装置的数控系统硬件电路设计??????????????????????????????????????????13 5.1 硬件电路总体设计方案???????????????????????????????????????????????????????13 5.1.1 硬件电路框图表示?????????????????????????????????????????????????????13 5.1.2 硬件电路主要元器件的选择 清单 安全隐患排查清单下载最新工程量清单计量规则下载程序清单下载家私清单下载送货清单下载 ?????????????????????????????????????????13 5.2 主控制器CPU的选择及其引脚?????????????????????????????????????????????????13 5.2.1 CPU的选择????????????????????????????????????????????????????????????13 5.2.2 8031的硬件资源及其引脚???????????????????????????????????????????????14 5.2.2.1 8031的内部资源?????????????????????????????????????????????????????14 5.2.2.2 8031的引脚定义及功能???????????????????????????????????????????????14 5.3 存储器扩展电路的设计???????????????????????????????????????????????????????14 5.3.1 程序存储器的扩展电路芯片??????????????????????????????????????????????14 5.3.2 地址锁存器选用????????????????????????????????????????????????????????14 5.3.3 数据存储器的扩展电路芯片??????????????????????????????????????????????15 5.3.4 译码器的选用??????????????????????????????????????????????????????????15 5.4 I/O扩展电路的设计???????????????????????????????????????????????????????????15 5.4.1 8255可编程接口芯片的选用??????????????????????????????????????????????15 5.4.1.1 数据总线????????????????????????????????????????????????????????????15 5.4.1.2 控制线??????????????????????????????????????????????????????????????15 5.4.1.3 寻址线??????????????????????????????????????????????????????????????16 5.4.2 步进电机驱动电路??????????????????????????????????????????????????????16 5.4.2.1 计算机接口??????????????????????????????????????????????????????????16 5.4.2.2 脉冲分配器??????????????????????????????????????????????????????????16 5.4.2.3 光电隔离电路????????????????????????????????????????????????????????16 5.4.2.4 功率放大器??????????????????????????????????????????????????????????16 5.4.3 三相异步电机的驱动电路????????????????????????????????????????????????17 5.4.4 电磁换向阀的驱动电路??????????????????????????????????????????????????17 5.5 模数转换电路设计????????????????????????????????????????????????????????????17 - 1 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 5.5.1 测量电桥??????????????????????????????????????????????????????????????17 5.5.2 测量放大电路??????????????????????????????????????????????????????????17 5.5.3 相敏检波电路?????????????????????????????????????????????????????????17 5.5.4 功率放大电路?????????????????????????????????????????????????????????17 5.5.5 集成采样保持电路?????????????????????????????????????????????????????18 5.5.6 A/D转换电路??????????????????????????????????????????????????????????18 5.6 其他辅助电路设计???????????????????????????????????????????????????????????18 5.6.1 键盘与显示器接口电路?????????????????????????????????????????????????18 5.6.2 打印机接口电路???????????????????????????????????????????????????????19 5.6.3 报警显示接口电路?????????????????????????????????????????????????????19 第6章 控制软件编程????????????????????????????????????????????????????????????19 6.1 监控软件的功能?????????????????????????????????????????????????????????????19 6.1.1 仪表硬件和软件的初始化????????????????????????????????????????????????19 基本输入和输出系统的实现??????????????????????????????????????????????19 6.1.2 6.1.3 仪表内部的组态????????????????????????????????????????????????????????19 6.1.4 仪表的任调度??????????????????????????????????????????????????????????19 6.2 键盘与显示器接口的软件设计?????????????????????????????????????????????????19 6.2.1 接口电路?????????????????????????????????????????????????????????????20 6.2.2 软件设计?????????????????????????????????????????????????????????????20 鸣 谢??????????????????????????????????????????????????????????????????????????23 参考文献????????????????????????????????????????????????????????????????????????24 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 第1章 绪论 1.1 课题的概况及提出 精密测量技术是机械工业发展的基础和先决条件之一，这已被生产发展的历史所确认。从生产发展的历史来看，精密加工精度的提高总是与精密测量技术的发展水平相关的。有人认为材料、精密加工、精密测量与控制是现代精密工程的三大支柱。对于科学技术来说，测量与控制是使其发展的促进因素，测量的精度和效率在一定程度上决定着科学技术的水平。目前，国外量仪已与计算机技术和光电技术相结合，实现了自动化、数字化和多功能化，国内也正朝着这个方向发展。 近年来随着汽车工业的飞速发展，人们对汽车发动机的性能要求越来越高。而连杆是发动机中的关键部件之一，其大、小头孔中心线的平行度必须达到一定的精度，否则会导致发动机耗油量大，磨擦大，噪音大。因此设计一套自动化程度和测量精度高的专用于测量连杆大、小头孔的测量装置，是保证产品质量和提高生产效率的重要手段。 1.2 课题分析 这里要测量的工件是某汽车发动机的连杆大、小头孔中心线的平行度。本人去年在东风汽车 - 2 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 发动机厂的连杆加工车间实习时曾记得这一工序是通过气压量仪来测量的，即利用直径对气体的压力而通过仪表进行显示。这样的测量装置还是能满足精度要求的，但其灵敏度不是特别高，也难以适应现代化的自动生产线。 本测量系统的总体设计思想是:整个测量过程实现自动化，而不需人工干预。在本装置中，采用滚珠丝杠以实现测杆的X方向的进给，工件的夹紧采用液压油缸来保证系统的平稳性，而自动检测装置选用应用广泛的8031单片机来实现对整个测试系统控制。 第2章 总体方案设计 2.1 本装置的主要组成部分 2.1.1 机械部分 由传感器箱体即测试箱、 X向数控工作台、工件定位和夹紧部件组成。 2.1.2 液压部分 由液压泵、液压缸和液压控制阀组成。 2.1.3 电气部分 包括CPU的选择、存储器扩展电路、I/O扩展电路、数模转换电路、测量放大和信号采集保持电路及其它辅助电路的设计。 2.2 本测试系统的理论方法和依据 在本测试系统中，测量连杆大小头孔中心线的平行度所应用的理论依据是运用数学方法:在每个孔的圆柱面内侧分别测出两个截面上三个点的位置，根据这三个点确定一圆心，两个圆心构成一直线，再依据数学方法来计算这两条直线的夹角，最后转换成平行度。 根据所测连杆大、小头孔平行度误差水平方向不大于100:0.03、垂直方向不大于100:0.06，而连杆总成装配图中要求以大头孔的中心线为基准来测大、小头孔中心线平行度，所以本测试系统就以一定位销来确定大头孔中心线的位置，只需测小头孔中心线的位置最终则可转换为其平行度。 2.3 机械部分的作用及其设计原则 测试箱主要是将所选用的传感器正确的定位与夹紧，其定位精度应比检测装置的检测精度高1个等级。测试箱由滚珠丝杠来拖动以实现X向的进给，关于滚珠丝杠的传动部分设计原来已在机电综合课程设计中详细设计过，这里就简要描述了。另外，连杆的定位精度和夹紧的可靠性要求也很高。 2.4 液压部分的功能 在进行测试前，应保证工件的正确定位和夹紧，而本装置属于精密测量仪器，系统在运行过程中要求振动小，而液压系统具有平稳性好，运动惯性小、反应速度快、易于实现自动化控制等优点。因此，在本系统中运用液压系统对工作进行夹紧比较理想。 2.5 模数转换电路 在实际测量中，由于传感器的输出量是连续变化的物理量，也就是模拟量，与此对应的电信号则是模拟信号，要将其输入计算机进行数据处理，就需要运用A/D转换电路将模拟信号转换为计算机可识别的数字信号，其转换过程主要包括采样、量化和编码。这里采用逐次逼近式的转换电路，因逼近式A/D转换器在精度、速度和价格上都适中，是目前最常用的A、D转换器。具体 - 3 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 设计见后面。 2.6 相关的计算机接口电路 因本系统属于工业测控的智能化仪器仪表，根据实际需要，在这里需要解决计算机和外设联系的接口电路，包括键盘、显示器和打印机。 第3章 机械部分的设计 3.1 传感器的选用与安装 3.1.1 传感器的选用 本检测装置选用差动变压器式位移传感器。因差动变压器式传感器应用比较广泛，其灵敏度高，精确度高，非线性误差小，量程较宽，适合本系统，现选用的传感器为中原量仪股份有限公司生产的DG-z7型(轴式)差动变压器式传感器。 其主要性能规格示值为: 变动性:0.2um 测量力:0.4~0.7N 总行程:1.2mm 装卡尺寸:,8h7 外形尺寸:,8，30 重量:0.15N 3.1.2 传感器的安装 3.1.2.1 测杆与外伸轴的刚度估计 因所测的连杆小头孔的直径只有28mm，无法使传感器直接安装在所测孔的内表面上，这里考虑选用一个杠杆机构，称之为测杆。它的一端安装一个测头，另一端与传感器的测头相接触，同时这个机构还可以将这杠杆孔的直径误差进行放大，以保证整个测试系统的测量精度。 整个系统设计出三个测杆，它们安装在测试箱的外伸轴上。由于所测的连杆小头孔的直径误差很小，必须考虑测试杆和外伸轴的刚度，避免因变形而影响整个测试系统的精度。为了降低测杆变形，在安装时除了采用支承销时还另加弹簧，因在测试过程中，测头所受到的测量力非常小，再加上自身重量还不足1N，而测杆的材料是选用优质的45钢，承受这样小的力，估计其变形可以忽略，因而无需校核其刚度。此外，因外伸轴的外伸长度只有123mm,最小直径12.5mm，材料同样选用45钢，同样可以忽略其变形。 3.1.2.2 传感器的定位与安装 传感器的安装与定位在本测试装置的设计中属于一个重点问题，因它的正确定位直接影响到测试系统的精度。但它所带来的误差属于常值系统误差，可以通过计算机的编程等方法来予以补偿。 传感器在安装后可以通过调整与其相连的压板螺母来调节其轴向定位和径向定位精度。其详细装配情况见测试箱装配图及其三维图。 3.2 其他运动部件的设计与计算 3.2.1 承载工作台外形尺寸与重量估计 -33-33 G=(200，140，60，10)cm，(7.8，10)kg/cm，10N/kg=131N 工作台 - 4 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 3.2.2 测试箱外形尺寸及重量估算 2-33-33G=(3.14，13，190，10) cm，(7.8，10 )kg/cm，10N/kg=7.86N 外伸轴 -33-33G=(100，160，160，10 )cm，(7.8，10 )kg/cm，10N/kg ，2/3=133.12N 测试箱 G=0.15N，3=0.45N 传感器 G= G+G+G+G=272.43N 总工作台外伸轴测试箱传感器3.2.3 滚珠丝杠螺母副的设计计算 3.2.3.1 计算载荷F(N)的计算 C F=KKKFCFHAm 式中，K——载荷系数，取K=1.2; FF K——硬度系数，取K=1.0; HH K——精度系数，设计为3级精度，取K=1.1; AA F为平均工作载荷，取F=1.414fG=1.414，0.01，272.43N=4N mmB总 ? F=1.2，1.0，1.1，4N=5.28N C 3.2.3.2 计算额定动载荷计算值C' a 'nLmh3= FC'C a41.67，10 式中，——为滚珠丝杠的平均转速(r/min), =1000v/L,其中v为最大nn 0mm 工作载荷下的进给速度,取v=1m/min.L为滚珠丝杠的基本导程0 (mm),这里初定为5mm.则=1000，1/5=200r/min; nm ——为使用寿命，取=15000h L'L'hh 200，150003',5.28， ? =30N Ca41.67，10 3.2.3.3 根据选择滚珠丝杠副 C'a 根据最大动载荷并考虑各种因素，选择滚珠丝杠副的几何参数以下: 公称直径:D=20mm 0 导 程:p=5mm 螺旋角 :λ=4?33′ 滚珠直径:D=3.175mm w 滚道半径:R=0.52D==0.52，3.175mm=1.651mm w -2偏心距 :e=0.07(R-D/2)=0.707，(1.651-3.175/2)mm=4.5，10mm w -2丝杠内径:d=D+2e-2R=(20+2，4.5，10-2，1.651)mm=16.788mm 10 3.2.3.4 稳定性验算 丝杠不会发生失稳的最大载荷为 2,EIaF= cr2(,l) 式中，E——丝杠材料的弹性模量，取E=206GPa; ——丝杠的工作长度(m)，这里,0.28m; ll 4-8444 ——丝杠危险截面轴惯性矩(m)， =d/64=3.14，(0.016788m)/64=3，10m II,1aa - 5 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 ——长度系数，设计丝杠的支承方式为一端固定，一端游动，故取,2/3 ,, 298,(3.14)，206，10，3，106 ? F==1.74，10N Ncr22(，0.28)3 6安全系数S= F/F=1.74，10/4=435000,可见足够安全，不会失稳。 crm 3.2.3.5 刚度验算 丝杠的拉压变形量为 σ=?F/EA, l1m -44得 σ=?4，280/20.6，10，255=?0.3，10mm, 1 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量σ，该变形量与滚珠列、圈有关，即与滚珠总数有关，与滚2 珠总数有关，与滚珠丝杠长度无关。有预紧时: Fmσ=0.0013， 223DFZwYJ, 式中，——预紧力(kgf), =0.673kgf; FFYJYJ =，圈数，列数; ZZ, 代入有关数据算得 -3σ=1.47，10mm. 2 -3当预紧力为轴向工作载荷的1/3时，σ的值可减少一半左右，? σ=0.74，10mm 22 σ=σ+σ=0.00077mm 12 本系统的定位精度为0.015，可见满足要求。取滚珠丝杆精度等级为3级，允差为12um所以也能符合设计要求。 3.2.4 滚动导轨的设计 由于双V形滚动导轨结构对称，工作台可以放在两导轨之间，能承受侧向力矩，接触刚度好、 导向性和精度保持性好，并设计为镶条方便维修和调整，因此满足设计要求。 3.2.4.1 导轨的长度 根据测量过程中工作台实际需要移动的距离，取导轨的总长度为240mm，则动导轨长度为140mm，动导轨行程为100mm，滚珠保持器的长度为190mm. 3.2.4.2 滚动体尺寸与数目的确定 由于工作台重量轻，并且在工作过程中动载荷只有4N。根据《机床设计手册》中的双V型导轨的滚动体的直径最好不低于6mm，因为若滚动体太小就容易产生滑动象。现选滚珠的直径为6mm。 滚动体数目选择的根据: z?G/30, d 算得z=10，由动导轨长度为140mm，得两滚珠之间的距离t=14mm. 3.2.4.3 验算许用负载 平均每个滚动体上的最大负载为:P=P/z，所以Pmax=15.412N， maxG 许用负载 2,P,=Kξd 2式中，K——滚动体截面上假想许用应力，经查表取K=60N/cm; ξ——导轨硬度校正系数,这里取ξ=1。 - 6 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 2? ,P,=60，1，0.6N=21.6N 这里设计的导轨选用淬透钢HRC=55，所以,P,=21.6N，Pmax=15.412N,,P, 可见，双V型滚珠导规符合要求。 3.2.5 步进电机的选用 3.2.5.1 滚珠丝杠传动系统传动比i的确定 i=θL0/360δ bp 式中，θ——电动机步距角,(?)/脉冲,，初定θ=1.5?/脉冲; bb L0——滚珠丝杠导程(mm)，取L=5mm; 0 δ——脉冲当量(mm/脉冲),这里根据系统精度要求取δ =0.01 mm/脉冲 pp ? i=1.5，5/360，0.01=2.08 3.2.5.2 减速齿轮的设计 由i=2.08要求在传动系统中加一对减速齿轮。 根据i=Z/Z=2.08,现取Z=50，Z=24。由于丝杠在工作过程中所爱的传动扭矩很小，取模数2121 m=1，齿轮的具体参数设计如下: 齿轮1:Z=24,d=24,b=4 齿轮2:Z=50，d=50,b=6 中心距:a=37 Z——齿数; d——齿轮的公称直径(mm); b——齿轮宽度(mm); a——两个齿轮的中心距(mm) 3.2.5.3 步进电机启动力矩的计算 设步进电机的等效负载力矩为T，负载为P，根据能量守恒定理，电机所做的功与负载所做 的功有如下关系: TΦη=PS 式中，Φ——电机转角; S——移动部件的相对位移; η——机械传动效率; 步进电机的最高工作频率:f=1000V/60δ=1667Hz maxmaxp 3.2.5.4 步进电机转动惯量计算 22J=J+J+(Z/Z)(J+J)+m(δ ，180/3.14θ) d011223pb 对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式计算: -34J=0.78，10，D，L 式中，D——圆柱零件的直径(cm); L——零件长度(cm). -34-2 2J=0.78，10，2.4，0.25=19.24，10kg.cm 1 -34-2 2J=0.78，10，5，0.5=24.375，10kg.cm 2 -34-2 2J=0.78，10，2.6，26=32.45，10kg.cm 3 J很小可以忽略为0 0 -2-222? J=1.294，10+(24.375+32.45) ，10+51， (0.001，180/3.14，1.5) =0.218 kg.cm d W=2，3.14，f=43.62 rad/s maxmax - 7 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 T=J， (W-W)/0.01=9.51 N.cm gd max0 J>T/k=T/0.5=19.02 N.cm maxgg 3.2.5.5 选择步进电机的型号 根据最大的静转矩J=19.02 N.cm,选反应式步进电动机45BF005?.有关参数见表3-1。 max 表3-1 45BF005?步进电机参数 外径 长度 轴径 质量 步距角 电压 相电流 最高启动空载频率 最大静转矩 (mm) (mm) (mm) (kg) ,(?)/脉冲, (v) (A) (Hz) (N?m) 45 58 4 0.4 1.5 27 2.5 3000 0.196 3.3 数控系统的精度验算 步进电机驱动的数控系统精度可以不用验算，因为测量前两面的工作台的定位精度要求并不十分严格，而数控系统本身的精度已能满足要求，特别是滚珠丝杠螺母副的采用，具有传动效率高，摩擦小，采用经齿差调隙式的双螺母预紧方式，经适当预紧后，可消除丝杠和螺母的间隙，定位精度高，刚度好，运动平稳，传动精度高，精度保持性好，使用寿命长。 而减速齿轮的间隙在设计时采用了偏心套消除间隙，这样可以使传动更平稳，并能消振。 第4章 液压部分的设计 在本系统中，液压传动装置的作用是夹紧工件，其设计的依据是尽可能使工件夹紧，并定位准确。考虑到夹紧时间可调节和当进油路压力瞬时下降时保持夹紧力，所以接入节流阀调速和单向阀保压。在回路上加上减压阀，用来调节夹紧力的大小和保持夹紧力的稳定。 总体设计方案如图4-1所示。 图4-1 液压夹紧回路系统图 - 8 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 4.1 液压缸的设计 4.1.1 夹紧力的计算 根据经验，取夹紧力为工件重量的三倍。由连杆总成图算得工件重量如下: -5G=(190+50+26) ，152/2，38，7.8，10=59N 工件 ? F=3 G=3，59=177N 夹工件 4.1.2 确定液压缸的主要尺寸 取液压系统的机械效率为0.95，夹紧液压缸的输工作压力p为2.5MPa，回油背压力p,12cm 为0，即可得液压缸内径D的面积为 4F，4177夹 D==,0.032m=32mm m,52,,，，，3.1425100.95，，pd,,,,2,,,p,11,,,,,,cm1pD,,,,,,1，，,, 查表确定液压缸和活塞杆的D和d分别为40mm及25mm. 4.1.3 计算液压缸工作阶段所需的流量 设v=2m/min,工作阶段所需的流量为 夹 223 q=πDv/4=(π/4) ，0.04，2m/min=5.25L/min 夹夹 按照q选择液压系统中的各元件型号，具体型号与安装见总装配图。 夹 4.1.4 液压缸的安装 液压缸的安装方式采用中部法兰联接，即设计为支座，由于液压缸与底座相平行，所以底座 应设计成带有直角形状，具体结构与参数见支座零件图。 4.2 液压泵的选用 4.2.1 泵的工作压力的确定 考虑到正常工作中进油管路有一定的压力损失，所以泵的工作压力为 ,p=p+,p p1 式中，p——液压泵最大工作压力; p p——执行元件最大工作压力; 1 , ,p——进油管路中的压力损失，这里取0.3MPa. ? p =(2.5+0.3)MPa=2.8MPa p 4.2.2 泵的流量确定 ,q=K(q) pLmax 式中，q——液压泵最大流量; p , (q)——执行元件所需流量之和的最大值,这里取6L/min; max K——系统泄漏系数，一般取1.1,1.3，现取K=1.2 LL ? q=1.2，6=7.2L/min p 4.2.3 选择液压泵的规格 根据以上算得的p和q再查阅有关手册，现在选用限压式变量叶片泵。这是因为叶片泵具pp 有结构紧凑、体积小、重量轻、流量均匀、噪声小、寿命长等优点。这里所选用的叶片泵的型号 为YBX,16，该泵的基本参数为:每转排量q=16mL/r,泵的额定压力p=6.3MPa,转速为600,0n1450r/min,容积效率η=0.85,总效率η,0.7。 V - 9 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 4.3 与液压泵匹配电动机的选定 根据液压泵的转速和系统所需要的功率，现在选用Y系列三相异步电动机，型号为Y90L-4，其主要技术参数见表4-1。 表4-1 Y90L-4型三相异步电动机主要技术参数 功率 电流 转速 效率 额定转矩 最大转矩 外形尺寸(长，宽，高) 质量 -1(kW) (A) (r.min) (,) (N.m) (N.m) (mm) (kg) 1.5 3.65 1400 79 2.3 2.3 335，245，190 27 第5章 检测装置的数控系统硬件电路设计 5.1 硬件电路总体设计方案 5.1.1 硬件电路框图表示 图5-1 硬件电路总体方案框图 5.1.2 硬件电路主要元器件的选择清单 CPU为8031芯片 8K程序存储器2764 8K数据存储器6264 地址锁存器74LS373 译码器 74LS138 扩展可编程接口芯片8255两片 可编程键盘、显示器接口芯片。 - 10 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 集成采集保持器AD582 相敏检波器AD532 测量放大器AD521 运算放大电路 可编程A/D0809芯片 5.2 主控制器CPU的选择及其引脚 5.2.1 CPU的选择 本系统采用8031作为单片机的中央处理单元，主要基于8031微处理器成本低，应用广泛，易于产品化，具有现成的硬件接口电路和软件，故能方便地组装成各种智能化控制设备及各种智能仪表仪器。 因本系统是一个智能测量装置，单片机能面向控制，能针对性地解决问题，所以适合本装置的应用。 5.2.2 8031的硬件资源及其引脚 5.2.2.1 8031的内部资源 8031内部包含面向控制的8位CPU，128字节的RAM，21个特殊功能寄存器，4个8位并行口，一个全双工串行口，2个16位的定时器/计数器，五个中断源，一个片内时钟振荡器和时钟电路等。在本装置中，还须扩展多个接口才能完成系统的自动检测功能。 5.2.2.2 8031的引脚定义及功能 8031单片机采用40引脚双列直插封装(DIP)形式。包括: Vss(20脚):接地。 Vcc(40脚):主电源+5V。 XTAL1(19脚):接外部晶体的一个引脚，在单片机的内部，它是振荡电路反相放大器的输入端。在这里采用片内振荡器，此引脚作为驱动端。当采用外部振荡器时，此引脚应接地。 XTAL2(18脚):接外部晶体的另一端,即反相放大器的输出端。 RST/VPD(9脚):当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期宽度以上的高电平将使单片机复位。 ALE/(30脚):当访问外部储存器时，ALE(地址锁存允许)的输出用于锁存地址的低PROG 位字节。 :片外程序存储器的选通信号，低电平有效。 PSEN EAEA/VPP:当端输入高电平时，CPU执行程序，访问片内程序存储器。对于8031来说，无片内存储器，该引脚应接低电平。 输入/输出(I/O)引脚P0、P1、P2和P3，共四个端口，每个端口都是8位准双向口，共占32根引脚。 5.3 存储器扩展电路的设计 5.3.1 程序存储器的扩展电路芯片 因8031内部不带EPROM芯片，所以需要扩展程序存储器。根据本 系统的控制要求，采用一片8K的EPROM即可满足要求，这里选用8K，8 位的2764芯片。引脚 结构如图5-2所示。 - 11 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 2764共有13根地址线A0,A12，其地址范围是0000H,1FFFH。 有8根数据线D0,D7，其余为控制线。分别定义为: ——片选信号输入端，低电平有效，表示选中该芯片。 CE 因8031内部不带EPROM芯片，这里直接接地表示一直选通。 CE ——输出使能端，与单片机的相连，当有 OEPSENPSEN 效时，把2764中的指令或数据送入P0口线。 PGM——编程控制端。 VCC ——+5V电源。 图5-2 EPROM引脚结构 5.3.2 地址锁存器选用 因为P0口是分时提供低8位的地址和数据信息的，所以必须用锁存器把地址锁存起来。这里选用带三态缓冲输出的8D锁存器74LS373，它的锁存控制端G和STB直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。 5.3.3 数据存储器的扩展电路芯片 8031内部只有128字节的RAM，远远不能满足系统的控制 要求，需要扩展片外数据存储器。由于面向控制，实际需要扩 容量不大。其选用规则与EPROM的要求相同。这里选用的6264 为8K，8位的静态RAM，其引脚结构如图5-3所示。 6264共有13根地址线A0,A12，有8根数据线D0,D7。其 余为控制线。分别定义为: ——片选信号输入端，低电平有效，表示选中该芯片。 CE ——输出允许(读)信号，与单片机的RD(P3.7)连接， OE 实现读操作。 ——输出允许(写)信号，与单片机的(P3.6)连接， WRWE 实现写操作。 VCC ——+5V电源。 5.3.4 译码器的选用 图5-3 RAM引脚结构 CPU与存储器连接的一个重要问题是，存储器地址的分配和片选信号的产生。它们决定了 存储器在内存空间中的位置。解决片选信号的问题就是要正确处理存储器地址译码问题。一般来说，地址译码有线选法和地址译码法。线选法就是把单独的地址线作为片选信号接到存储器的片选端上，只要该信号为低电平就可选中相应的存储器芯片，这种方法的特点是连线简单，不需专门设计逻辑电路，但芯片之间的地址不连续，这对以后的编程实为不利。 地址译码法又有部分译码和全译码两种方式。部分译码法类似于线选法，地址有重叠区，地址空间分散。这里采用全译码法，它是指除存储器芯片所用地址线与CPU的地址线对应相连外，末用的地址线全部参加译码，通过地址译码器产生存储器的片选信号。本系统选用74LS373，其输入端A、B、C接8031的P2.5、P2.6、P2.7。 5.4 I/O扩展电路的设计 8031单片机共有4个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口及部分P3口，因此大部 - 12 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 分应用系统中都不可避免地要进行扩展I/O口。这里主要扩展2片8255可编程接口芯片以及其它外设接口电路。 5.4.1 8255可编程接口芯片的选用 8255具有3个可编程的并行I/O端口，A口、B口和C口，它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式，即方式0、方式1和方式2。8255共有40个引脚，下面根据功能分类说明: 5.4.1.1 数据总线 D0,D7用于传送CPU与8255之间的命令与数据，PA0,PA7、PB0,PB7、PC0,PC7，分别与A、B、C3个口相对应，用于8255与外设之间传送数据。 5.4.1.2 控制线 ——读信号，与8031的(P3.7)连接，当输入低电平时，控制8255送出数据或状态RDRD 信息到CPU，即CPU对8255进行读操作。 ——写信号，与8031的(P3.6)连接，当输入低电平时，控制把CPU输出的数据或命WRWR 令写到8255，即CPU对8255进行读操作。 RESET——复位信号，输入。当此引脚为高电平时，所有8255内部寄存器都清0。 5.4.1.3 寻址线 ——芯片选择信号，接74LS138的两个输出端。当为低电平时，本芯片被CPU选中。 CS A0和A1——两个输入信号，接地址总线A11和A12。 5.4.3 步进电机驱动电路 步进电机的是由脉冲信号来实现控制的，在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲数成正比。其驱动电路框图见图5-4。 计算机接隔离 步进脉冲分功率放 口电路 电路 电机 大电路 配器 图5-4 步进电机驱动电路框图 5.4.2.1 计算机接口 在数控系统中，要实现微机对步进电机的自动控制，就必须借助计算机接口电路。本系统中，步进电机接口电路接8255(1)的A口,其控制由PA0,PA3口输出信号实现。 5.4.2.2 脉冲分配器 脉冲分配器又称环行分配器，是驱动步进电机必不可少的环节。步进电机的控制方式由环行分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按 一定的分配方式和顺序送给步进电机的各项绕组，并能实现 电机的正转和反转。在数控系统中通常使用较多的是集成脉 冲分配器和软件分配器，本系统采用的是TTL产品YB103，其 引脚结构如图5-5所示。各引脚功能说明以下: ——选通输出控制端，接8255(1)的PA0口。 E0 、——选通输入控制端，这里把此两引脚接地。 EE12 A0、A1——电机励磁方式控制。 +?、,?——正、反转控制端。 A、B、C——分别为A相、B相、C相输出控制端。 CP——时钟脉冲的输入，接8031和T0引脚。 图5-5 YB103引脚结构 - 13 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 5.4.2.3 光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。因为步进电机驱动电压较高，电流也较大，如果将输出信号与功率放大器直接相连，将会引起强干扰。所以这里脉冲分配器与功率放大器之间加上光电耦合器以实现电气隔离。 光电耦合器是把发光件和受光件封装在一起，通过光信号，实现电信号传递的器件。连接发光源的引线作为输入端，连接受光件的引线为输出端。通常发光件为发光二极管，而受光件为光敏三极管。 5.4.2.4 功率放大器 脉冲分配器的输出功率还不足够驱动步进电机所需的功率，这里必须将其输出信号放大才能保证步进电机的正常运行。 功率放大器按其结构不同分为单电源和双电源型。本系统中采用单电源供电结构，并在步进电机的绕组回路中串联一个小于10Ω的电阻，以增大功率放大器负载回路的电阻，使步进电机中的电流上升时间常数减小，提高上升沿的陡度。 5.4.3 三相异步电机的驱动电路 在本装置中，用三相异步电机Y90L-4来驱动液压元件工作。因这里选用的三相异步电机的功率只有1.5千瓦，起动时没有必要采用其它特殊的起动方法而用直接起动方法即可。但为了考虑整个装置的自动化，这里用单片机I/O端口的输出信号经放大后驱动电磁继电器，进而控制异步电机的启停。同样在单片机端口输出信号接入光电耦合器和功率放大器。 5.4.4 电磁换向阀的驱动电路 这里采用的是二位四通的电磁换向阀，其换向动作由一个电磁铁来实现，通过控制电磁铁的通断电状态进而控制其换向动作。这里用8255的PA3端口输出信号，经光电耦合器和功率放大来驱动电磁铁。 5.5 模数转换电路设计 传感器的输出量是连续变化的模拟量，这些模拟量须经过转换成计算机能识别数字量才能进行最终的数据处理，以实现装置的自动检测功能。其模数转换电路框图如图5-6所示。 测量电桥 测量放大 相敏检波 功率放大 A/D转换 采样保持 振荡器 图5-6 模数转换电路框图 5.5.1 测量电桥 传感器本身就是一个电感式的测量电桥，它的作用是将传感器的径向位移转换成强度较强的电压信号。测量电桥实质是一个乘法器。 5.5.3 测量放大电路 这里选用AD521放大器，接线见图 5-7。 AD521测量放大器的放大倍数可调范 围1到1000，输入阻抗为3MΩ，共模抑比 - 14 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 可达120dB，工作电压范围5到18V，放大倍数为1时的最高频率大于2MHz。其放大倍数由电阻比K=Rs/Rg决定。 5.5.3 相敏检波电路 图5-7 AD521接线图 测量放大电路输出的信号中，包括高频的调制波和要处理 的点信号，相敏检波的解调与低通滤波器可将高频的调制波滤 去，只剩下要处理的电信号，此时能消除零点残余电压的影响。 本检测系统选用AD532/CL80B作为相敏检波芯片。其引脚结构 见图5-8。 5.5.4 功率放大电路 经过敏检波后的模拟信号，再通过功率放大电路，使信号得到增强， 以利于信号的采集。这里的选用F007型的放大器，其接线情况见电气系统图。 5.5.4 集成采样保持电路 这里选用集成采样保持器AD582，它有0.01%的线性度和0.002%的增益精度，保持电容取1000pF,捕获时间小于6μs,断开时间为200ns，无论处于采样还是保持状态均为高输入阻抗，内含增益调整电路。其作用是在电路中提高了抗干扰能力。其接线情况见电气系统图。 5.5.5 A/D转换电路 在本测试装置中，由于使用了3个传感器，所以必须有三路A/D转换电路，这就使得在考虑使用A/D转换芯片时，首先应估算一个成本。这里选用性能合适、性能比高的ADC0809作为转换芯片。 其主要特性为:分辩率为8位;最大不可调误差小于?ULSB; 可锁存三态输出，输出与TTL兼容;不必进行零点和满度调整。 ADC0809的引脚结构见图5-9。部分引脚的功能说明以下: VREF(+)、VREF(-)——参考电压正、负端。 ADDA(ADDB)(ADDC)——8路模拟选通开关的3位地址选能输入 端。 IN0,IN7——8路模拟信号输入端。 D0,D7——8位数字量输出，接经光电隔离电路接入单片机的 P0口。 OE——输出允许控制端，用于打开三态输出锁存器。当OE为 高电平时，打开三态数据输出锁存器，将转换后的数据量输送到数 据总线上。 图5-9 ADC0809的引脚结构 CLOCK——时钟信号输入端，这里的时钟频率选为500Hz，对应的转换时间为128μs. 5.6 其他辅助电路设计 5.6.1 键盘与显示器接口电路 键盘、显示器是数控设备进行人机交换的纽带。它们可以完成数据的输入和计算机工作状况的动态显示。通常，数控系统都采用行列式的键盘，即用I/O口线组成行、列结构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有LED(发光二极管)和LCD(液晶显示器)。本系统中采用8255接口芯片管理键盘和显示器的电路。它由4?8位键和8位LED显示器组成。为了简化电路，键盘的列线接8255端口，即每个显示器由8个发光二极管组成。二极管的阴极连在一 - 15 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 起，阳极通过74LSO6门分别与8255的PC口输出的字形数据信号线相连。当发光二极管为高电平时，此段发光二极管显示小数点。键盘由4?8个键组成矩阵，每个键相当于一个开关，当某一键按下时，控制线与列线连在一起。 键盘的工作过程是:无键按下时A口引线由5.1kΩ电阻上拉至高电平，C口的8条列数在一定的时间间隔内轮流送出低电平，当被扫描到某一线上有键按下时，交叉点上相应的行线就被拉至低电平，低电平信号被行线捕获后，计算机读取信息，并根据此键对应的行列计算出键值，完成键动态扫描的全部工作。 显示器也采用扫描方式，由8255的C口线送出的八段码，只有当LED公共端为低电平时，这一位显示块才能显示出字形，PA0,PA3通过75452P驱动器分别接到LED的公共端。计算机以人眼不能分辨的速度轮流对8根字位线输出低电平，可在显示器上显示出不现的数字，从而实现扫描显示。 键盘与显示器共用的8255的口线控制，在进行键盘巡回扫描时必须先显示。当然有关键盘与显示器的工作必须经过软件协调处理后才能达到预期的效果。 打印机接口电路 5.6.2 本系统中，选用微型打印机的作用是可以直接将测试结果打印出来，以便使装置的功能更加完善。这里选用TPμP-40A型号的打印机，它是一种由单片机控制的智能型打印机，具有较丰富的打印命令，命令代码均为单字节，格式简单;带有水平和垂直制表命令，便于打印表格;带有命令格式的检错功能，当输入错误命令时，打印机打印出错误信息代码。因此，选用这一型号的打印机符合用户的要求。 TPμP-40A通过扩展芯片8255(2)与8031相连，其数据线接8255的B口，为数据STROBE选能信号端口，在该信号的上升沿，数据线上的8位并行数据被打印机读入机内锁存，它接8255的PA4口。BUSY是状态“忙”信号，接8031的非屏蔽中断引脚。 INT1 5.6.3 报警显示接口电路 因设计要求本装置具有报警功能，即当连杆的大小头孔中心线平行度超差时能有报警功能提示，这里用由2个发光二极管和2个电阻再加上一个反相器组成报警显示电路，一端接8255(2)的PA5口，当PA5输出高电平则提示所测的连杆不合格。具体接线情况见电气系统图。 第6章 控制软件编程 6.1 监控软件的功能 智能仪表与其它模拟电路和数字电路的最大区别就在于它是在软件的指挥下工作，硬件功能只有在软件的协调控制下才能充分发挥作用，软件的设计经历分析，设计，编制，测试和运行等阶段。在仪表软件总体设计时主要确定软件和硬件任务之间的分工。智能仪表的软件按用途可以分为监控软件、测控软件和辅助软件等 监控软件在某种程度上像个人计算机的操作系统，其主要功能以下: 6.1.1 仪表硬件和软件的初始化 如中断的管理，定时器的应用，仪表的自我诊断的故障处理等。 6.1.2 基本输入和输出系统的实现 如键盘和显示的管理和服务等。 6.1.3 仪表内部的组态 如仪表各通道的仪表系数和滤波器类型的选择，控制模块类型的选择，参数的设置， - 16 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 模块之间的串联等。 6.1.4 仪表的任调度 如A/D转换采样频率的设置，控制周期的选择等。 监控软件很大程度上决定了仪表的性能，其工作量在整个软件工作量中占有不小的比例。例如键盘与显示相结合的数据输入和输出处理程序。 测控软件实现仪表具体的测量和控制功能。包括各输入通道的数据采集模块和数值处理模块(如FFT和滤波)，控制量的输出模块，不同规律(如PID和模糊控制)的控制模块等。 辅助软件涉及的内容较多，如浮点计算函数库就是仪表常用的辅助软件。 6.2 键盘与显示器接口的软件设计 6.2.1 接口电路 关于键盘与显示器的接口电路在第5章已有所叙述，在这里再补充说明一下。本装置采用的是8255并行扩展口构成的键盘显示器电路。这是为了节省I/O口线，所以把键盘和显示电路做在一起，构成实用的键盘、显示电路。 LED显示器采用共阴极，段选码由8031的P1口提供，位选码由8255(2)的PC口提供。键盘的列输入由8255(2)的PC口提供，行输出由8255(2)的PA0,PA3口提供。这里LED采用动态显示软件译码，而键盘则采用逐列扫描查询工作方式。此外，LED的驱动采用反相驱动器74LS06。 6.2.3 软件设计 由于键盘与显示做成一个接口电路，因此在软件中合并考虑键盘查询与动态显示、键盘消颤的延时子程序用显示程序替代。动态显示子程序框图如图6-1所示。设8031片内RAM的78H,7FH单元为显示缓冲区，依次(从低到高位)存放八个显示的数据，以分离的BCD码形式存放。 程序清单: KD1: MOV A，,00000011B ;8255(2)初始化，PA口、PB口为基本输出方式，PC口 为输入方式 MOV DPTR，,7F00H MOVX @DPTR，A KEY1: ACALL KS1 JNZ LK1 ACALL DIS ;调用显示子程序，延时6ms AJMP KEY1 LK1: ACALL DIS ACALL DIS ;调用两次显示，延时12ms ACALL KS1 JNZ LK2 ACALL DIS ;调用显示、延迟6ms AJMP KEY1 LK2: MOV R2，,0FEH MOV R4，,00H LK4: MOV DPTR，,7F01H MOV A，R2 MOVX @DPTR，A - 17 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 INC DPTR INC DPTR MOVX A，@DPRT JB ACC.0，LONE MOV A，,00H AJMP LKP LONE: JB ACC.1，LTWO MOV A，,08H AJMP LKP LTWO: JB ACC.2，LTHR MOV A，,10H AJMP LKP LTHR: JB ACC.2，LTHR MOV A，,08H AJMP LKP LTWO: JB ACC.2，LTHR MOV A，,10H AJMP LKP LTHR: JB ACC.3，NEXT MOV A，,18H LKP: ADD A，R4 PUSH ACC LK3: ACALL DIS ACALL KSI JNZ LK3 POP ACC RET NEXT: INC R4 MOV A，R2 JNB ACC.7，KND RL A MOV R2，A AJMP LK4 KND: AJMP KEY1 KS1: MOV DPTR，,7F01H MOVX @DPTR，A INC DPTR INC DPRT MOVX A，@DPTR CPL A - 18 - 汽车发动机连杆大小头孔中心线平行度自动检测装置设计 ANL A,,0FH RET DIS: MOV R0，,78H ;动态显示初始化，存缓冲区首地址 MOV R3，,7FH ;存首位位选字 MOV A，R3 LD0: MOV DPRT，,7F01H ;指定P1口 MOVX @DPTR，A ;送位选字入P1口 INC DPRT ;指向PC口 MOV A，@RO ;查段选码 ADD A，,0DH ;,0DH为查表指令下一个机器码至段选表首的偏移 量 MOVC A，@A，PC MOVX @DPTR，A ;段选码送PC口 ACALL DL1 ;延时1ms INC R0 ;指向显示缓冲区下一单元 MOV A，R3 JNB ACC.0，LD1 ;判断八位显示完, RR A ;未显示完，变为下一位位选字 MOV R3，A AJMP LD0 ;转显示下一位 LD1: RET DSEG: DB 3FH，06H，5BH，4FH，66H，6DH，7DH，07H，7FH，6FH，77H，7CH “0” “1” “2” “3” “4” “5” “6” “7” “8” “9” “A” “B” 39H，5EH，79H，71H “C” “D” “E” “F” DL1: MOV R7，,02H ;延时子程序 DL: MOV R6，,0FFH DL6: DJNZ R6，DL6 DJNZ R7，DL RET - 19 -